Силовая установка с системой охлаждения и устройством фильтрации охлаждающей жидкости

СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВОМ ФИЛЬТРАЦИИ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ Горин Владимир Иванович, Антюхин Георгий Георгиевич, Шафрыгин Александр Владимирович, Горин Антон Владимирович, Фурман Виктор Владимирович, Чертов Сергей Николаевич (RU) Громов В.А. (RU) Изобретение относится к области транспортных средств, в частности к силовым установкам с несколькими контурами циркуляции рабочей (охлаждающей) жидкости, например двигателям внутреннего сгорания, газотурбинным двигателям, двигателям Стерлинга и т.д., с системами охлаждения и устройствами фильтрации охлаждающей жидкости. Техническим результатом,на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение эффективности фильтрации охлаждающей жидкости силовой установки без снижения теплорассеивающей способности охлаждающего устройства и с одновременным сокращением числа элементов устройства для фильтрации жидкости. Указанный технический результат достигается тем, что силовая установка с несколькими контурами циркуляции рабочей жидкости и с системой их охлаждения содержит по меньшей мере один очиститель рабочей жидкости и регулировочный клапан (регулятор расхода рабочей жидкости), причем очиститель рабочей жидкости расположен в магистрали, соединяющей два контура циркуляции рабочей жидкости.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА" (ОАО "ВНИИЖТ"); ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ Изобретение относится к области транспортных средств, в частности к силовым установкам с несколькими контурами циркуляции рабочей (охлаждающей) жидкости, например двигателям внутреннего сгорания, газотурбинным двигателям, газопоршневым двигателям, двигателям Стирлинга и т.д., с системами охлаждения и устройствами фильтрации охлаждающей жидкости. Известна система очистки воды от накипеобразователей, содержащая подключенный к контуру циркуляции воды с поверхностным теплообменником-нагревателем трубопровод с аппаратом для магнитной обработки воды и устройством фильтрации, которое выполнено в виде гидроциклона (патент РФ 51995, C02F 1/48, опубл. 10.03.2006 г.) - аналог. Недостатком известного устройства является низкая эффективность очистки рабочей жидкости. Известна система фильтрации охлаждающей жидкости тепловозных дизелей, содержащая магнитный аппарат и гидроциклон, причем в охлаждающей системе дизелей подача воды последовательно в магнитный аппарат и гидроциклон, установленные параллельно радиаторам и дизелю по байпасной линии, осуществляется через регулирующий клапан, выходной патрубок с последовательно установленными регулирующим клапаном, магнитным аппаратом и гидроциклоном размещаются на всасывающей линии циркуляционного насоса, между насосом и радиаторами, а входной патрубок - между дизелем и радиаторами на линии подачи воды в радиатор (патент РФ 2289026, МПК F01P 11/12, опубл. 10.12.2006 г.) - аналог. Недостатками известного устройства являются низкая надежность и эффективность очистки рабочей жидкости, а также необходимость уменьшения расхода охлаждающей жидкости через радиаторы охлаждающего устройства тепловоза и, как следствие, снижение их теплорассеивающей способности. Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение эффективности фильтрации охлаждающей жидкости силовой установки без снижения теплорассеивающей способности охлаждающего устройства и с одновременным сокращением числа элементов устройства для фильтрации жидкости. Указанный технический результат достигается тем, что силовая установка с несколькими контурами циркуляции рабочей жидкости и с системой их охлаждения содержит по меньшей мере один очиститель рабочей жидкости (фильтр) и регулировочный клапан (регулятор расхода рабочей жидкости), причем очиститель рабочей жидкости расположен в магистрали, соединяющей два контура циркуляции рабочей жидкости. Устройство, характеризующееся тем, что может содержать магнитный активатор (аппарат). Устройство, характеризующееся тем, что очиститель рабочей жидкости может быть расположен с возможностью обеспечения максимального перепада давления между контурами циркуляции рабочей жидкости. Устройство, характеризующееся тем, что очиститель рабочей жидкости может быть расположен в межконтурном соединении. Устройство, характеризующееся тем, что очиститель рабочей жидкости может быть выполнен в виде гидроциклона напорного типа или фильтра другой конструкции. Устройство, характеризующееся тем, что регулировочный клапан (регулятор расхода рабочей жидкости) может быть встроен в гидроциклон, который может быть выполнен гидродинамическим. Известные системы охлаждения различных силовых установок, например двигателя внутреннего сгорания, обладают целым рядом недостатков, в частности при их использовании в системах охлаждения силовых установок тепловозов, что вызвано их конструктивными характеристиками и особенностями работы магнитных активаторов (аппаратов):- во-первых, наличие нескольких устройств для фильтрации жидкости, установленных в каждом контуре циркуляции теплоносителей, усложняет конструкцию;- во вторых, пониженная эффективность магнитного аппарата, установленного в горячем контуре,вследствие обратной зависимости е от температуры жидкости (Е.Ф. Тебенихин, "Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках", Москва, "Энергия", 1977) (1);- в-третьих, уменьшение расхода жидкости через радиаторы обоих контуров и, как следствие, перерасход мощности на привод вентиляторных установок охлаждающего устройства тепловоза;- в-четвертых, уязвимость всей системы фильтрации из-за повышенной склонности магнитного аппарата к закупорке внутренних каналов продуктами коррозии, накипи и шламом, которые всегда присутствуют в рабочей жидкости в той или иной концентрации и для удаления которых и предназначено устройство фильтрации. Кроме того, в связи с тем, что эффективность магнитного активатора (аппарата) с ростом температуры падает, по мнению автора [1], магнитная активация не эффективна для охлаждающей жидкости с показателями карбонатной жесткости менее 0,3 и водородным показателем pH9,0. В охлаждающих устройствах дизелей большинства отечественных тепловозов в качестве охлаждающей жидкости применяется вода со щелочными нитритфосфатными присадками и присадкой "Инкорт 8 М", водородный показатель которых находится в пределах 10,8-11,5, а жесткость более 0,2 мг/э-л считается браковочным признаком (ЦТЧС-50, Инструкция по приготовлению и применению воды для охлаждения двигателей тепловозов и дизель-поездов, МПС СССР, 1984). Таким образом, применение магнитного активатора для выделения и коагуляции из охлаждающей жидкости продуктов накипеобразований для большинства тепловозов нельзя признать рациональным. Магнитная активация может быть эффективна для тепловозов,в системах охлаждения которых циркулирует охлаждающая жидкость со слабощелочными нитритофосфатными присадками с водородным показателем не выше рН 9,5. Заявляемое решение позволяет устранить указанные выше недостатки и обеспечивает достижение заявляемого технического результата при использовании любых силовых установок с несколькими контурами циркуляции рабочей (охлаждающей) жидкости, например двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей, двигателей Стирлинга и т.д., с системами охлаждения и устройствами фильтрации охлаждающей жидкости. Заявляемая система также применима к системам охлаждения двигателей внутреннего сгорания с несколькими контурами циркуляции рабочей жидкости, например на большегрузных самосвалах типа БелАЗ, тракторах, экскаваторах и т.д., в которых используются дизели с несколькими контурами циркуляции с однотипным теплоносителем. Работа заявляемой силовой установки с системой охлаждения и устройством фильтрации рассмотрена далее на примере системы охлаждения силовой установки двигателя внутреннего сгорания, т.к. работа заявляемой конструкции с другими типами двигателей с несколькими контурами циркуляции рабочей (охлаждающей) жидкости будет аналогична описанной ниже. Использование заявляемой силовой установки возможно, например, для тепловоза с двумя контурами циркуляции рабочей жидкости, но не ограничивается только силовой установкой тепловоза и только с двумя контурами циркуляции рабочей жидкости. Например, в случае числа контуров более двух с однотипным теплоносителем (вода, антифриз и т.д.) для достижения оптимального результата очиститель рабочей жидкости целесообразно располагать между двумя из контуров с возможностью обеспечения максимального перепада давления на входе и выходе очистительного устройства. В силу существующих требований для обеспечения надежной работы отечественных дизелей тепловозов двухконтурные системы охлаждения целесообразны только для обеспечения предельно допустимых уровней температур теплоносителей при экстремальных температурах атмосферного воздуха(выше 25C) в сочетании с высокими нагрузками силовой установки тепловоза. Такие сочетания бывают крайне редко - не более 1% времени работы тепловоза. В остальных случаях экономически целесообразно использование двухконтурной системы охлаждения с межконтурным перепуском, обеспечивающим переток охлаждающей (рабочей) жидкости с избыточным теплом из горячего контура в холодный. Таким образом, постоянно действующий межконтурный перепуск не только не снижает теплорассеивающей способности радиаторов, но и приводит к экономическим выгодам в плане сокращения среднеэксплуатационной мощности на привод вентиляторных установок охлаждающего устройства, а включенное в межконтурный перепуск устройство для фильтрации охлаждающей жидкости позволяет обеспечивать е очистку почти 99% времени эксплуатации тепловоза. Заявляемое устройство конкретизировано на фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема заявляемого устройства без магнитного активатора (аппарата), где очиститель рабочей жидкости и регулятор расхода рабочей жидкости установлены в ветвь межконтурного соединения, соединяющего напорную магистраль горячего контура со всасывающей магистралью насоса холодного контура,на фиг. 2 приведена принципиальная схема заявляемого устройства с магнитным активатором (аппаратом), установленным в обратную ветвь межконтурного перепуска, соединяющую напорную магистраль холодного контура со всасывающей линией насоса горячего контура,на фиг. 3 приведен вариант схемы с терморегулятором, обеспечивающим автоматическое закрытие межконтурного перепуска при превышении температуры охлаждающей жидкости холодного контура допустимого значения. Система содержит горячий контур 1 и холодный контур 2 циркуляции охлаждающей жидкости, насос 3 горячего контура и насос 4 холодного контура, жидкостные полости охлаждения цилиндропоршневой группы дизеля 5, жидкостные каналы охладителя наддувочного воздуха 6 и охладителя масла 7, блоки жидкостно-воздушных радиаторов горячего 8 и холодного 9 контуров, бак расширительный 12,подпиточные трубы 17 и сеть трубопроводов 18 малого сечения для удаления воздуха из системы. В магистрали, соединяющей два контура циркуляции рабочей жидкости, например, в межконтурном соединении 19, обеспечивающем гидравлическую связь между горячим 1 и холодным 2 контурами циркуляции жидкости, установлены очиститель рабочей жидкости 10 и регулятор расхода жидкости 11, обеспечивающий постоянство расхода рабочей жидкости через очиститель рабочей жидкости (фильтрующий элемент) 10. При необходимости система может дополнительно содержать магнитный активатор (аппарат) 13. При этом очиститель рабочей жидкости 10 и регулятор расхода жидкости 11 установлены в прямую ветвь межконтурного соединения (межконтурного перепуска) 19, соединяющего напорную магистраль горячего контура со всасывающей магистралью насоса холодного контура 4, а магнитный активатор(аппарат) 13 установлен в обратную ветвь 20 межконтурного перепуска, соединяющую напорную магистраль холодного контура со всасывающей линией насоса 3 горячего контура. Для предотвращения перегрева масла при экстремально высоких температурах атмосферного воздуха в прямой и обратной маги-2 023155 стралях межконтурного перепуска установлены запорные вентили (краны) 14, 15 и 16. Краны управляются вручную по сигналу от датчика температуры на пульте машиниста, свидетельствующему о приближении температуры масла к предельному значению. Возможно применение терморегулятора 21, закрывающего межконтурный перепуск в автоматическом режиме при достижении температуры охлаждающей жидкости максимального уровня (фиг. 3). Краны 14 и 15 используются также для возможности периодического удаления накопившегося шлама из шламовой камеры гидроциклона без разгерметизации и слива охлаждающей жидкости из системы охлаждения тепловоза. Схема системы идентична применительно к любому двигателю, в т.ч. к газопоршневому двигателю,к двигателю Стирлинга и др., у которых более одного контура циркуляции жидкости с однотипными теплоносителями. Заявляемая система работает следующим образом. Насосы 3 и 4 обеспечивают циркуляцию охлаждающих жидкостей по контурам 1 и 2. Прямая ветвь межконтурного перепуска 19 обеспечивает переток части охлаждающей жидкости с избыточным теплом из горячего контура в холодный, а обратная ветвь 20 - возврат охлаждающей жидкости из холодного контура в горячий. Гидравлические характеристики обоих ветвей выбраны таким образом, чтобы при минимальных производительностях водяных насосов, соответствующих нулевой позиции холостого хода дизеля, обеспечивать оптимальный расход охлаждающей жидкости через гидроциклон без необходимости работы регулятора расхода 11. При увеличении производительности насосов (при повышении частоты вращения коленчатого вала дизеля) начинается работа регулятора расхода 11, который обеспечивает оптимальное значение потока охлаждающей жидкости через гидроциклон. Межконтурный перепуск обоих ветвей закрывается вручную с помощью кранов 14 и 16 при приближении температуры масла к предельному значению или автоматически с помощью терморегулятора 21 (см. фиг. 3) при достижении температуры охлаждающей жидкости холодного контура некоторого предельного уровня. Открытие межконтурного перепуска производится в обратном порядке. Удаление шлама из шламовой камеры фильтрующего элемента 10 осуществляется без разгерметизации системы охлаждения путем закрытия кранов 14 и 15 и открытия крана 22. Удаление шлама возможно при работающем дизеле без нарушения циркуляции охлаждающей жидкости по контурам. Магнитный аппарат (активатор) 13 при необходимости устанавливается, например, в обратную ветвь 20 межконтурного перепуска. При этом обеспечивается активация охлаждающей жидкости с максимальным эффектом, т.к. воздействию подвергается охлаждающая жидкость с минимальной температурой. В случае закупорки каналов магнитного аппарата продуктами коррозии и накипеобразований возврат охлаждающей жидкости из холодного контура в горячий будет обеспечен через подпиточные трубы 17, трубки для удаления воздуха 18 и расширительный бак 12. Таким образом, сохраняется работоспособность системы фильтрации даже при неработающем магнитном аппарате. Заявляемое решение было проверено на маневровых тепловозах ТЭМ 18 ДМ 306 (с магнитным активатором) и ТЭМ 18 Д 180 - без магнитного активатора (аппарата). Работа заявляемой системы показала, что система охлаждения тепловоза с устройством для фильтрации охлаждающей жидкости позволяет осуществлять более длительную эксплуатацию (почти в 2 раза) тепловоза без необходимости проведения регламентных работ по восстановлению теплорассеивающего потенциала охлаждающего устройства за счет повышения эффективности фильтрации и своевременного удаления шлама из системы охлаждения с использованием одного очистительного устройства (гидроциклона) одновременно из двух и более контуров циркуляции рабочей жидкости. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с несколькими контурами циркуляции рабочей жидкости, содержащая по меньшей мере один очиститель рабочей жидкости и регулировочный клапан, причем очиститель рабочей жидкости расположен в магистрали, соединяющей два контура циркуляции рабочей жидкости. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит магнитный активатор. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что очиститель рабочей жидкости расположен с возможностью обеспечения максимального перепада давления между контурами циркуляции рабочей жидкости. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что очиститель рабочей жидкости выполнен в виде гидроциклона или фильтра. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулировочный клапан встроен в гидроциклон. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гидроциклон выполнен гидродинамическим.